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Dokumentenidentifikation DE69014369T2 22.06.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0389371
Titel Verfahren und Gerät zur Zerfallsbestimmung epithermischer Neutronen.
Anmelder Schlumberger Technology B.V., Den Haag, NL
Erfinder Nelligan, William B., Danbury, Connecticut 06811, US
Vertreter Sparing, K., Dipl.-Ing.; Röhl, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Henseler, D., Dipl.-Min. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 40237 Düsseldorf
DE-Aktenzeichen 69014369
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 22.03.1990
EP-Aktenzeichen 904007853
EP-Offenlegungsdatum 26.09.1990
EP date of grant 30.11.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.1995
IPC-Hauptklasse G01V 5/10

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf die Neutronen-Bohrlochuntersuchung und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen für die Bestimmung, unabhängig von der Porosität, der Natur von wasserstoffhaltigen Fluiden, die in einer Formation vorhanden sind, aus Charakteristiken der epithermischen Neutronenpopulation, herrührend von der Bestrahlung der ein Bohrloch umgebenden Formationen mit hochenergetischen Neutronen.

In wasserstoffhaltigen Medien ist die Verlangsamungszeit hochenergetischer Neutronen auf epithermische Energie abnehmend mit der Wasserstoffdichte und wird primär beeinflußt durch den Wasserstoffgehalt der Medien wegen des höheren Querschnitts für die Neutronenstreuung von Wasserstoff bei epithermischen Energien und wegen des größeren mittleren Energieverlustes bei der elastischen Streuung von Wasserstoff. Demgemäß ist die Neutronenabklingzeit auf Energien oberhalb von etwa 0,5eV empfindlich primär gegenüber der Formationsporosität, da das die Porenräume füllende Fluid, nämlich Wasser- und/oder Kohlenwasserstoffe, reich an Wasserstoff ist.

Wenn Neutronenenergien unter etwa 0,5eV abklingen, hängt jedoch der weitere Energieverlust von der Art der Moleküle ab, in denen das Wasserstoffatom gebunden ist. Bei Energiepegeln zwischen etwa 0,01eV und 0,5eV ist der Typ von Molekül, in welchem der Wasserstoff gebunden ist, der dominierende Faktor für den Energieverlust. Demgemäß ist die Verlangsamungszeit (Abklingzeit) von Neutronen bei Energien oberhalb etwa 0,5eV primär empfindlich gegenüber der Formationsporosität, während bei Energien zwischen etwa 0,01 und 0,5eV die Verlangsamungszeit empfindlich ist sowohl gegenüber der Porosität als auch gegenüber der Struktur des Moleküls, in welchem der Wasserstoff gebunden ist.

Die Effekte der Wechselwirkung zwischen hochenergetischen Neutronen und Kernen, die Wasserstoffatome enthalten, in Erdformationen wurde auf verschiedene Weise ausgenutzt, um wertvolle Information betreffend die Existenz von Kohlenwasserstoff-Lagerstätten in den Formationen zu gewinnen. Da beispielsweise Wasserstoff stark die Abklingzeit von Neutronen beeinflußt und da Poren in Gesteinsformationen beinahe immer mit wasserstoffhaltigen Fluiden gefüllt sind, liefert die Erfassung der Abklingzeit oder Abklingrate der epithermischen Neutronenpopulation nach einem Burst hochenergetischer Neutronen ein Maß für die Formationsporosität.

Zusätzlich zur Porositätsbestimmung ist es auch wichtig, Information abzuleiten, welche die Natur des Fluids identifiziert, das die Formationsporen füllt, d.h. Kohlenwasserstoffe, Wasser und die relativen Quantitäten von jedem. U.S.-Patent Nr. 3,497,692 von Mills jr. beschreibt ein System für die Bestimmung, ob das Formationsfluid überwiegend Öl oder Wasser ist. Die Differenzen in Zählraten thermischer Neutronen mit Energien oberhalb unterschiedlicher Schwellenpegel werden zu Zeitpunkten gemessen nach dem Neutronenburst entsprechend den Orten von Spitzen für 100% Wasser beziehungsweise 100% öl in den Formationen. Diese Zeiten hängen ab von der Formationsporosität und werden gewonnen aus Eichkurven, abgeleitet aus Messungen in Formationen bekannter Porosität. Die Unterschiede zwischen den Zählraten bei den entsprechenden Spitzenzeiten werden dann subtrahiert für die qualitative Anzeige der Wassersättigung (Sw). Diese Prozedur liefert keinen quantitativen Wert für Sw, doch wird ein Formationsfluid, das überwiegend Wasser ist, eine größere Differenz an den Stellen der Wasserspitze bewirken und umgekehrt.

Eine Abwandlung dieser Technik ist offenbart in dem Patent Nr. 4,283,624 von Mills jr.. Das Verfahren und die Vorrichtung, die in diesem Patent beschrieben werden, verwendet das epithermische Neutronenabklingen mit dem Zweck, zwischen freiem Wasserstoff, wie er in Öl oder Wasser vorhanden ist, und Wasserstoff zu unterscheiden, der chemisch an die Formation gebunden ist. Gemäß der Offenbarung des Patents werden Abklingraten epithermischer Neutronen mit zwei Detektoren gemessen, einem mit einem Energiebereich, dessen obere Grenze unter der chemischen Bindungsenergie gebundenen Wasserstoffs in der Formation liegt, vorzugsweise im Bereich 0,1 - 1eV, und dem anderen mit einem Energiebereich mit einer unteren Grenze, die größer ist als die untere Grenze des ersten Detektors, vorzugsweise im Bereich 0,5 - 10eV. Die Abklingkonstante, die vom ersten Detektor gemessen wird, soll indikativ sein für Wasserstoff nur in den Formationsfluiden, während die von dem zweiten Detektor gemessene Abklingkonstante indikativ sein soll für den gesamten Wasserstoff in der Formation, d.h. sowohl in dem Fluid als auch in der Formation gebunden. Die Differenz in den Abklingkonstanten wird als indikativ für die gebundene Wasserstoffporosität beschrieben.

Das Patent an Allen et al, Nr. 4,302,669, offenbart ein Verfahren zum Identifizieren des Fluidgehalts einer Formation, bei welchem Zählraten von epithermischen Neutronenpopulationen oberhalb zweier unterschiedlicher Schwellenenergien genommen werden (oder mit unterschiedlichen Energiereaktionen in dem Energiebereich) unter der chemischen Bindungsenergie von Wasserstoff in wasserstoffhaltigem Fluid. Zusätzlich werden Zählraten genommen während Zeitfenstern in der Periode der thermischen Gleichgewichtsdiffusion, welche Zählraten verwendet werden zum Korrigieren der Zählraten, die während der Thermalisierungsperiode gewonnen werden, um die Zeitkonstante der Thermalisierungsperiode zu gewinnen. Diese Zeitkonstante wird verwendet mit einer unabhängigen Porositätsmessung zum Bestimmen der Sättigung Sw.

Diese bekannten Techniken, die Messungen von epithermischen Neutronenpopulationen oberhalb unterschiedlicher Energieschwellenpegel involvieren, beruhen auf Unterschieden zwischen den Messungen zum Bereitstellen der gewünschten Resultate, und wo die Sättigung zu bestimmen ist, werden die gemessenen Differenzen mit der Porosität korreliert.

WO 87/07733 offenbart eine Neutronenporositätsbohrlochsonde mit einem D-T-Neutronenbeschleuniger, einem schnellen Neutronenmonitor für die Überwachung des Beschleunigerausgangs und nahe und ferne Detektoren epithermischer Neutronen. Das Verhältnis der Ausgänge von dem nahen und dem fernen Detektor wird verwendet zum Berechnen der Porosität der Formation.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung hat als ihr Ziel, die Natur von wasserstoffhaltigen Fluiden in Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, unabhängig von der Formationsporosität zu bestimmen und damit die Korrelation mit der Porosität überflüssig zu machen, die bei bekannten Techniken erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung werden Parameter gewonnen, die die Zeitabhängigkeit des Abklingens epithermischer Neutronen oberhalb zweier unterschiedlicher Energiepegel charakterisieren, herrührend von der Bestrahlung der Formation mit Bursts hochenergetischer Neutronen. Das Verhältnis dieser charakterisierenden Parameter wird verwendet zum Liefern von Anzeigen bezüglich der Wassersättigung, d.h. der Prozentsätze von Wasser und Öl in der Formation oder, wo die Wassersättigung 0% ist, zum Charakterisieren der Natur der vorhandenen Kohlenwasserstoffe. In beiden Fällen sind die Bestimmungen unabhängig von der Formationsporosität und liefern wertvolle Information, ohne die Notwendigkeit, ein Porositätslog herzustellen und Eichkurven aufzuzeichnen, um bezüglich des Einflusses der Porosität eine Korrektur vorzunehmen.

Das Verfahren wird mittels einer Sonde ausgeführt, die durch das Bohrloch verlagerbar ist und eine Quelle hochenergetischer Neutronen trägt, wie ein 14 meV D-T-Generator, und ein Paar von Neutronendetektoren mit unterschiedlichen Schwellenenergiepegeln in dem epithermischen Bereich. Beide Detektoren sind vom 3He-Typ, einer abgeschirmt mittels Cadmium zum Bewirken einer Schwelle von > 0,4eV und der andere abgeschirmt mit Gadolinium zum Bewirken einer Schwelle > 0,15eV. Die Detektoren sind in einem gemeinsamen Kissen montiert, das gegen die Wandung des Bohrlochs anpreßbar ist während der Messungen und abgeschirmt gegenüber Neutronen, die von der Sonde und von dem Bohrloch aus kommen.

Der Neutronengenerator wird gepulst zum Bestrahlen der umgebenden Erdformationen mit hochenergetischen Neutronen und die epithermischen Neutronenzählungen oberhalb jeder der entsprechenden Schwellenenergien werden gemessen. Die Zählrateinformation wird nach über Tage übertragen und verarbeitet mittels eines Computers zum Ableiten der epithermischen Abklingzeitkonstante oder anderer Parameter, welche die Zeitabhängigkeit jedes Detektorausgangs charakterisieren. Die Verhältnisse der charakterisierenden Parameter werden dann verwendet zum direkten Berechnen einer Anzeige der Wassersättigung oder des Kohlenwasserstofftyps in der Formation, die untersucht wird, ohne die Notwendigkeit für eine Porositätsmessung und eine Eichkurve für die Porosität, die aus dieser Messung gewonnen würde.

Die vorstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung derselben in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Logsonde in Logposition in einem Bohrloch ist zur Darstellung der untertägigen und übertägigen Vorrichtung der Erfindung in Blockform;

Fig. 2 ein Querschnitt durch die Sonde der Fig. 1 nach Linie 2-2 ist zur Darstellung bestimmter Details der Neutronendetektoren der Erfindung;

Fig. 3 eine Aufzeichnung von Zählungen über der Zeit ist (korrigiert bezüglich Hintergrund thermischer Neutronen) zur Illustration der Differentiation zwischen Wasser und Kohlenwasserstoffen bei unterschiedlichen Energiepegeln;

Fig. 4 eine Aufzeichnung der Neutronenabklingzeitkonstante über der Porosität ist zur Darstellung der Porositätsabhängigkeit von Einzelzeitkonstantenmessungen;

Fig. 5 eine Aufzeichnung des Verhältnisses der beiden Abklingzeitkonstantenmessungen der Erfindung sind zur Darstellung der Unabhängigkeit von der Porosität;

Fig. 6 ein Schema ist zur Illustration der Beziehung des Zeitkonstantenverhältnisses, hergestellt gemäß der Erfindung und der Natur des Formationsfluids;

Fig. 7 ein Schema dem Zeitkonstantenverhältnisses gemäß der Erfindung gegenüber der prozentualen Kohlenwasserstoffsättigung ist zur Illustration der Anwendung der Erfindung auf die Identifikation von unterschiedlichen Typen von Kohlenwasserstoffen in einer Formation; und

Fig. 8A und 8B Schemata sind zur Illustration einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung des Verhältnisses der Summen von epithermischen Neutronenzählungen oberhalb der beiden Schwellenenergien, gemessen nach Verzögerungen von dem Burst, die für jede Energie vorausgewählt wurden.

Gemäß den Zeichnungen, und insbesondere Fig. 1, ist eine langgestreckte Logsonde 10 von generell kreisrundem Querschnitt in einem Bohrloch 12 in Erdformationen 14 mittels Kabel 16 aufgehangen. Das Kabel 16 erstreckt sich zur Oberfläche, wo es um die Trommel einer Winde (nicht dargestellt) gelegt ist, die dazu dient, die Sonde 10 durch das Bohrloch 12 zu bewegen. In konventioneller Weise läuft das Kabel 16 über die Scheibe 18, deren Umläufe gezählt werden als Anzeige für die Tiefe der Sonde in dem Bohrloch.

Die grundsätzlichen Elemente der Sonde sind in Blockform in Fig. 1 dargestellt. Ein gepulster Neutronengenerator 20 vom D-T-Typ wird mit seiner Hochspannungsleistung versorgt und gesteuert durch Einheit 22. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung ist der Neutronengenerator 20 vorzugsweise von der Bauart, die einen diskreten Impuls schneller Neutronen erzeugt, beispielsweise 14 meV, und kann beispielsweise von den Bauarten sein, die in größeren Einzelheiten in U.S.-Patent Nr. 2,991,364 von C. Goodman vom 4. Juli 1961 und U.S.-Patent Nr. 3,546,512 von A.H. Frentrop vom 8. Dezember 1970 beschrieben sind, obwohl irgendeine gepulste Quelle, die hochenergetische schnelle Neutronen erzeugt, beispielsweise vom D-D-Typ, verwendet werden kann. Ein Paar von epithermischen Neutronendetektoren 24a, b und ein unabgeschirmter thermischer Neutronendetektor 24c befinden sich in einem Kissen 26, das in größeren Einzelheiten weiter unten beschrieben ist. Die Ausgänge der Detektoren 24a, b und c werden Signalverarbeitungseinheit 28 zugeführt, deren Ausgang der Telemetrieeinheit 30 zugeführt wird für die Übertragung nach über Tage. Eine Programmiereinheit 32 steuert die Zeitlage und den Betrieb der Neutronengeneratorsteuerung 22, der Signalverarbeitungseinheit 28 und der Telemetrieeinheit 30.

Die Signale, die repräsentativ sind für die Zählinformation der epithermischen Neutronen, geliefert von den Detektoren 24a, b, und die Zählinformation bezüglich thermischer Neutronen, gewonnen durch Detektor 24c, werden durch die übertägige Elektronik 34 verarbeitet, die vorzugsweise einen Digitalrechner umfaßt, der die nachstehend zu beschreibenden Berechnungen ausführt. Ein Aufzeichnungsgerät/Drucker 36, synchronisiert mit der Tiefeninformation, die von der Scheibe 18 abgeleitet wird, empfängt den Ausgang der Einheit 34 zum Erzeugen der Aufzeichnung des Bohrlochlogs.

Die Einzelheiten der untertägigen und übertägigen Schaltkreise, die in Fig. 1 in Blockform dargestellt sind, sind vollständiger gezeigt und beschrieben in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung von Loomis et al für "Methods and Apparatus for Epithermal Neutron Logging", Serial No. 324,776, hinterlegt am 16.3.89, und demselben Zedenten vermacht (Akte Nr. 60.925). Wie dort offenbart, entwickelt die Schaltung elektrische Signale, die repräsentativ sind für die erfaßten Zählungen epithermischer Neutronen, in digitaler Form, überträgt sie zur Oberfläche und führt die notwendigen Berechnungen aus zum Ableiten von Abklingzeitkonstanten oder anderen zeitabhängigen Parametern.

Um sicherzustellen, daß die Detektoren 24a, b, c nur auf von der Formation kommende Neutronen ansprechen, wird das Kissen 26 eng an die Innenwandung des Bohrlochs 12 gepreßt gehalten oder genauer gesagt, den Bohrspülungskuchen 13, der sich auf der inneren Wandung bildet, und zwar mittels der Bogenfeder 11. Während des Hochziehens oder Absenkens der Sonde wird die Bogenfeder 11 in eingezogener Position innerhalb des Sondenkorpus gehalten, wodurch ermöglicht wird, daß die Sonde sich frei durch das Bohrloch bewegen kann. Wenn eine Messung gewünscht wird, wird die Sonde angehalten und die Bogenfeder 11 freigegeben, um das Kissen 26 in Kontakt mit dem Bohrspülungskuchen 13 zu drücken. Die Sonde kann stationär gehalten werden während jeder Messung oder Messungen können erfolgen, wärend die Sonde durch das Bohrloch bewegt wird.

Wie oben angegeben, involviert die Erfindung die Erfassung von epithermischen Neutronen oberhalb zweier unterschiedlicher Energiepegel. Infolgedessen sind die beiden Detektoren 24a, b im Kissen 26 ausgelegt für das Zählen epithermischer Neutronen mit Energiepegeln oberhalb zweier unterschiedlicher Schwellen. Zweckmäßigerweise sind beide Detektoren vom gleichen 3He-Typ, jedoch mit unterschiedlichen Abschirmungen versehen, um die gewünschten Schwellenreaktionen zu erzwingen. Demgemäß ist beispielsweise der Detektor 24a mit einer Schicht aus Cadmium abgeschirmt und der Detektor 24b ist mit einer Schicht aus Gadolinium abgeschirmt, wobei sowohl Cadmium als auch Gadolinium große Einfangquerschnitte haben für Neutronen im Bereich der epithermischen Energie. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor 24a mit Cadmium abgeschirmt mit einer Dicke von 1,524 mm (60 mil), um den höheren Schwellenenergiepegel zu bewirken, und der Detektor 24b ist mit Gadolinium in einer Dicke von 0,05 mm (2 mil) abgeschirmt zum Herbeiführen der niedrigeren Energieschwelle. Der Detektor 24c ist unabgeschirmt zum Maximieren seiner Empfindlichkeit gegen thermische Neutronen. Die Zählungen vom Detektor 24c werden verwendet zum Korrigieren der Zählungen von den Detektoren 24a und 24b bezüglich des Hintergrundes thermischer Neutronen.

Die Detektoren 24a, b, c sind abgeschirmt gegen Neutronen aus dem Bohrloch durch Einbetten in Borcarbid (B&sub4;C), vorzugsweise eingefügt in ein wasserstoffhaltiges Medium wie Epoxy in dem Sondenkorpus und an den Enden und Kanten des Kissens, in welchem die Detektoren montiert sind. Die Abschirmung ist in Fig. 2 mit Bezugszeichen 27 markiert.

Vorzugsweise, wie durch die Dicken der Cadmium- und Gadoliniumabschirmung auf den Detektoren etabliert, ist der höhere Energieschwellenpegel (Cadmiumabschirmung) 0,4eV und der niedrigere Energieschwellenpegel (Gadoliniumabschirmung) ist 0,15eV. Die Detektorenergieschwellen sind jedoch nicht auf jene Werte begrenzt. Die höhere Energieschwelle kann angehoben werden auf bis zu 0,5eV, sollte jedoch nicht abgesenkt werden unter 0,3eV, während die niedrigere Energieschwelle vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 bis 0,20eV liegen sollte.

Die Prinzipien der Erfindung lassen sich am besten durch Bezugnahme auf die Kurven der Figuren 3, 4 und 5 verstehen. Figur 3 zeigt Neutronenflußkurven für die hohen und niedrigen Energieschwellenpegel, gemessen in einer 35% porösen Formation, die entweder frisches Wasser oder einen Kohlenwasserstoff, wie Cyclohexan, enthielt. Diese Kurven zeigen das Abklingen der epithermischen Neutronenpopulationen, gemessen oberhalb der beiden Schwellenenergiepegel, und sind korrigiert bezüglich des thermischen Neutronenhintergrundes in geeigneter Weise entsprechend dem Ausgang des Detektors 24c, wie in der oben erwähnten Loomis et al-Anmeldung offenbart. Die Kurven zeigen, daß die Abklingraten und damit die Abklingzeitkonstanten (τ) sehr eng gleich sind sowohl für Wasser als auch für Kohlenwasserstoffe mit derselben Wasserstoffdichte für eine Energieschwelle oberhalb 0,4eV. Für den niedrigeren Energieschwellenpegel von 0,15eV jedoch ist die Abklingzeitkonstante größer bei Kohlenwasserstoff als bei Wasser.

Im Falle des Kohlenwasserstoffs Cyclohexan haben sowohl Cyclohexan als auch Wasser im wesentlichen dieselbe Wasserstoffdichte, wie durch die beinahe identischen Abklingkurven für Energiepegel oberhalb 0,4eV illustriert wird. Unterschiede in der molekularen Struktur und den Zusammensetzungen der Moleküle zwischen Wasser und Cyclohexan beeinflussen jedoch die jeweiligen Abklingraten unterschiedlich bei Energiepegeln oberhalb 0,15eV, wie durch die getrennten Kurven in Figur 3 gezeigt. Demgemäß erscheint eine Basis für die Unterscheidung zwischen einer Kohlenwasserstoff- und einer wasserführenden Formation durch Vergleichen von Parametern, die die Zeitabhängigkeit der Abklingkurven charakterisieren, beispielsweise die Abklingzeitkonstanten.

Wie aus den oben erörterten Patenten von Mills jr. und Allen et al offensichtlich wird, war bisher die Unterscheidung zwischen Wasser und Kohlenwasserstoff in einer Formation erreicht worden durch Nehmen der Differenz zwischen epithermischen Neutronenzählraten bei zwei Schwellenenergiepegeln und Korrelieren der Differenzen mit der Formationsporosität. Der Einfluß der Porosität auf solche Messungen wird in den Kurven der Fig. 4 illustriert, die die Abklingzeitkonstante von epithermischen Neutronen oberhalb des höheren Schwellenpegels wiedergibt unter Verwendung eines mit Cadmium abgeschirmten 3He-Detektors gegenüber der Formationsporosität, gemessen in Laborformationen mit 100% Wassersättigung. Die ausgezogene Linie (τ) illustriert die Veränderung der Abklingzeitkonstante mit der Porosität und die untere gestrichelte Linie (τ φ) demonstriert, daß dieser Parameter nicht umgekehrt proportional der Porosität ist, da die Kurve eine positive Steigung aufweist. Wie demgemäß in dem vorgenannten Stand der Technik erkannt, erfordern bekannte Techniken für die Bestimmung der Natur des wasserstoffhaltigen Fluids in einer Formation die Korrelation der Abklingmessungen epithermischer Neutronen mit der Porosität. Beispielsweise kann unter Verwendung der Aufzeichnungen nach Fig. 4 die Wassersättigung bestimmt werden aus der folgenden Gleichung:

worin:

Sw = Wassersättigung (in %)

τGd =Abklingzeitkonstante bei Energieschwelle > 0,15eV

τCd = Abklingzeitkonstante bei Energieschwelle > 0,4eV

OBS = Beobachtete (erfaßte) Werte

0% = Werte, gemessen in Laborformationen bei 0% Sättigung

100% = Werte, gemessen in Laborformationen bei 100% Sättigung

Da die Differenzen (τGd - τCd) Funktionen der Porosität sind (siehe Fig. 4), müssen die Differenzen (τGd - τCd) 0% und (τGd - τCd) 100% gemessen werden oder bekannt sein für die gleiche Porosität als (τGd - τCd) OBS.

Gemäß Fig. 5 hat der Erfinder entdeckt, daß das Verhältnis der Abklingzeitkonstanten epithermischer Neutronen bei niedrigerem Schwellenpegel und bei höherem Schwellenpegel sich nicht mit der Porosität über den in der Praxis interessierenden Porositätsbereich ändert. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind die Kurven des Verhältnisses der Abklingzeitkonstanten (τGd/τCd) bei niedrigen und hohen Energiepegeln über der Porosität im wesentlichen horizontale Linien sowohl bei 0% als auch bei 100% Wassersättigung. Obwohl die tatsächlichen Werte für bestimmte Kurven, dargestellt in Fig. 5, gewonnen wurden mit Detektoren, die abgeschirmt waren mit 0,0127 mm (0,5 mil) Gd beziehungsweise 1,524 mm (6O mil) Cd anstatt mit 2 mil Gd und 60 mil Cd, wie bei der bevorzugten Ausführungsform, ergab sich dieselbe Beziehung, d.h. ein Verhältnis unabhängig von der Porosität wird durch die letztere demonstriert, obwohl bei etwas niedrigeren Werten des Verhältnisses.

Demgemäß kann die Wassersättigung SW ausgedrückt werden wie folgt:

wobei die Identifikation der einzelnen Terme dieselbe ist wie für Gleichung (1) oben.

Die Abklingzeitkonstarten können abgeleitet werden, wie in der oben erwähnten Loomis et al-Anmeldung oder mittels irgendeiner anderen geeigneten Technik. Die Gleichung (2) wird ohne weiteres gelöst durch den Digitalrechner in der Oberflächenelektronik 34, um die Sättigungswerte Sw zu ergeben.

Unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (2) kann die Natur des Kohlenwasserstofffluids bei irgendeinem Pegel in einem Bohrloch direkt bestimmt werden und unabhängig von der Porosität, um wichtige qualitative Information betreffend den Fluidgehalt der Formationen zu liefern. Die Gleichung (2) nimmt an, daß τGd/τCd linear abfällt von Sw = 0% bis Sw = 100%. Wenn die Abnahme von τGd/τCd nicht linear ist, kann eine einzige Eichkurve, die für alle interessierenden Porositäten gültig ist, verwendet werden.

Das Verhältnis von τGd/τCd kann auch verwendet werden, um den Typ des Kohlenwasserstoffs in der Formation zu charakterisieren. Wenn von der Formation bekannt ist, daß sie 0% Wassersättigung hat, d.h. 100% Kohlenwasserstofffluid, werden die unterschiedlichen Verhältnisse abhängen von der Natur der Kohlenwasserstoffmoleküle, in denen der Wasserstoff gebunden ist. In Fig. 6 sind Werte des Verhältnisses gezeigt, gemessen in unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen und Rohölen.

Die niedrigsten Werte des Verhältnisses finden sich in den aromatischen und verzweigten Kohlenwasserstoffen, während der größte Wert sich bei zyklischem Kohlenwasserstoff Cyclohexan befindet. Die n-Paraffin-Kohlenwasserstoffe liefern mittlere Werte und das Verhältnis nimmt zu mit der Anzahl von Kohlenstoffatomen. Das Verhältnis der Werte in den Rohölen ist kleiner als in reinen Kohlenwasserstoffen, weil die Rohöle aus einem Gemisch einer großen Anzahl von Kohlenwasserstoffen bestehen. Rohöle mit hohem aromatischem und Isoalkangehalt liefern niedrige Werte von τGd/τCd, während hohe Werte in Rohölen gewonnen werden mit hohem Cycloalkan(Naphthen)-Gehalt. Zwischenwerte werden erzeugt von Rohölen mit hohem n-Paraffingehalt. Es ist offensichtlich, daß das τGd/τCd -Verhältnis indikativ ist für die Molekulartypen, die in dem Rohöl vorliegen. In Fig. 7 ist das Verhältnis dargestellt für die Korrelation mit dem %-gesättigtem Kohlenwasserstoff(Cycloparaffin und n-Paraffin)-Gehalt.

Wie oben angegeben, faßt die Erfindung auch andere Parameter als die Abklingzeitkonstante ins Auge zum Liefern von porositätsunabhängigen Bestimmungen der Natur des wasserstoffhaltigen Fluids in einer Formation. Generell kann irgendein anderer Parameter, der die Zeitabhängigkeit der Flußkurven charakterisiert, verwendet werden. Wie beispielsweise in Fig. 8A und 8B dargestellt, kann die Summe der Zählungen unter einer normalisierten Flußkurve nach einer vorbestimmten Verzögerung, die optimiert ist für jede Detektorabtrennenergie, verwendet werden zum Charakterisieren der Zeitabhängigkeit der Kurve. Das Verhältnis der Flußzählungen, gemessen oberhalb der beiden Schwellenpegel (Fig. 8A beziehungsweise 8B) kann verwendet werden zur Bildung von Zählungsverhältnissen. Diese Zählungsverhaltnisse können verwendet werden zum Bestimmen der Wassersättigung unter Verwendung der obigen Gleichung (2), wobei die Zählwerte für die Abklingzeitkonstantenwerte in der Gleichung substituiert werden.

Es ist verständlich, daß verschiedene Modifikationen der Erfindung Fachleuten in den Sinn kommen werden, und es ist beabsichtigt, daß die Erfindung nur durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche begrenzt werde.


Anspruch[de]

1. Ein Verfahren zum Untersuchen von ein Bohrloch umgebenden Erdformationen, umfassend die Schritte

Bestrahlen der Formationen mit Bursts hochenergetischer Neutronen zum Erzeugen von Populationen epithermischer Neutronen in den Formationen,

Ableiten von Parametern bezüglich der Zeitabhängigkeit der epithermischen Neutronenpopulationen mit Energien oberhalb vorgewählter unterschiedlicher erster beziehungsweise zweiter Energiepegel, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch

das Bestimmen, aus den Verhältnissen der Parameter, einer Charakteristik von wasserstoffhaltigen Fluiden in den Formationen, unabhängig von der Formationsporosität.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Charakteristikum die Wassersättigung von wasserstoffhaltigen Fluiden in ein Bohrloch umgebenden Erdformationen umfaßt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Parameter die Abklingzeitkonstanten der epithermischen Neutronenpopulationen sind.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Parameter die Gesamtzahl epithermischer Neutronenzählungen sind, erfaßt während vorgewählter Abklingperioden der epithermischen Neutronenpopulationen.

5. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Energiepegel im Bereich von 0,3 bis 0,5eV und der zweite Energiepegel im Bereich von 0,05 bis 0,20eV liegen.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der erste Energiepegel 0,4eV ist und der zweite Energiepegel 0,15eV ist.

7. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3-6, soweit auf Anspruch 2 rückbezogen, bei dem die Wassersättigung bestimmt wird gemäß der Formel

worin

Sw Wassersättigung in %

τGd - Abklingzeitkonstarte epithermischer Neutronen oberhalb des unteren von dem ersten und zweiten Energiepegel.

τCd - Abklingzeitkonstante epithermischer Neutronen oberhalb des höheren von dem ersten und zweiten Energiepegel.

OBS - Beobachtete (erfaßte) Werte.

0% = Werte, gemessen in Laborformationen bei 0% Sättigung.

100% = Werte, gemessen in Laborformationen bei 100% Sättigung.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Ergebnis Sw, gewonnen durch die vorstehende Formel, kalibriert wird gemäß der Funktion, die die Abklingrate von τGd/τCd über einen Bereich der Wassersättigung Sw zwischen Sw = 0% und Sw = 100% definiert.

9. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Charakteristikum Bestandteile von wasserstoffhaltigen Fluiden in ein Bohrloch umgebenden Erdformationen umfaßt, wo die Formationen dafür bekannt sind, daß sie 0% Wassersättigung aufweisen.

10. Vorrichtung für die Untersuchung von ein Bohrloch umgebenden Erdformationen, umfassend:

eine durch das Bohrloch bewegbare Sonde, von der Sonde getragene Mittel für das Bestrahlen der Formationen mit hochenergetischen Neutronen,

von der Sonde getragene Detektormittel für die Bestimmung von Parametern bezüglich der Zeitabhängigkeit von Populationen von Neutronen, die verlangsamt werden durch die Formationen auf Energien oberhalb jeweils vorgewählter erster beziehungsweise zweiter Energiepegel, welche Vorrichtung gekennzeichnet ist durch

Mittel, die auf das Verhältnis der Parameter bei den entsprechenden Energiepegeln reagieren für die Indikation eines Charakteristikums von wasserstoffhaltigen Fluiden in den Formationen, unabhängig von der Formationsporosität.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Detektormittel umfassen

erste und zweite Detektoren, die reagieren auf epithermische Neutronen oberhalb des ersten beziehungsweise zweiten Energiepegels.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem der erste Detektor auf epithermische Neutronen mit Energien oberhalb eines Wertes zwischen 0,3 und 0,5eV reagiert und der zweite Detektor auf epithermische Neutronen mit Energien oberhalb eines Wertes zwischen 0,05 und 0,20eV reagiert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Detektormittel umfassen:

erste und zweite Detektoren vom 3He-Typ, wobei der erste Detektor abgeschirmt ist durch eine Schicht aus Cadmium mit einer Dicke von etwa 60 Tausendstel Zoll (1,524 mm), und

der zweite Detektor abgeschirmt ist durch eine Schicht von Gadolinium mit einer Dicke von etwa 2 Tausendstel Zoll (0,0508 mm).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, bei dem der erste und der zweite Detektor in einem einzigen Kissen montiert sind, das gegen die Wandung des Bohrlochs anpreßbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, bei dem der erste und der zweite Detektor gegen Neutronen in dem Bohrloch mittels Bohrkarbid abgeschirmt sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei dem das Bohrkarbid in ein wasserstoffhaltiges Medium, wie Epoxy, inkorporiert ist.







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